Ce protocole expérimental est conçu pour mesurer le coefficient de dilatation thermique volumique d'un liquide en observant les variations de la hauteur d'une goutte d'huile dans un tube capillaire lorsque la température varie. L'expérience commence par la mise en place de l'appareil, notamment le serrage des pinces universelles, le préchauffage du tube capillaire et la préparation de béchers contenant de l'eau froide et de la glace.
Des mesures de la hauteur de la goutte d'huile sont effectuées à diverses températures, à l'aide d'un thermomètre et d'un chronomètre, tout en ajustant soigneusement la température de l'eau sur la plaque chauffante.
Objectifs Éducatifs
- Comprendre la dilatation volumique : Les participants exploreront comment le volume d'un liquide varie avec la température, dans le but de déterminer le coefficient de dilatation thermique volumique du liquide.
- Techniques de mesure de température : L'expérience introduit des méthodes pour mesurer avec précision la température et la hauteur d'un liquide dans un tube capillaire, améliorant ainsi la familiarité des participants avec les mesures liées à la température.
- Manipulation d'instruments de laboratoire : Les étudiants s'exerceront à utiliser divers instruments de laboratoire, améliorant ainsi leurs compétences pratiques dans la réalisation d'expériences.
- Principes fondamentaux de la thermodynamique des liquides : Grâce à cette procédure, les participants acquerront des connaissances sur les principes fondamentaux de la thermodynamique appliqués aux liquides, y compris la relation entre la température et le volume.
Cette expérience de laboratoire est essentielle pour comprendre comment la température affecte le volume d'un liquide et pour maîtriser les techniques de mesure précises en milieu de laboratoire.
Les participants développeront des compétences pratiques dans la manipulation d'équipements de laboratoire, l'observation de phénomènes physiques et l'analyse de données expérimentales. De plus, cette expérience souligne l'importance de la rigueur méthodologique et de la précision dans l'expérimentation scientifique, garantissant des résultats fiables et significatifs. En participant à cette activité, les participants n'apprendront pas seulement la thermodynamique des liquides, mais apprécieront également la nature méticuleuse requise dans la recherche scientifique, améliorant ainsi leurs compétences globales en physique et en chimie expérimentales.
Protocole
PARTIE A : La préparation du tube capillaire
- Au-dessus de la plaque chauffante ; fixez une pince universelle à chacun des deux supports.
- À l'aide de la pipette, prélevez un peu d'huile d'olive et déposez deux gouttes d'huile sur le verre de montre.
- Allume le bec Bunsen.
- À l'aide de gants thermiques; chauffer le tube capillaire sur toute sa longueur en l'exposant à la flamme tout en effectuant des mouvements d'avant en arrière pendant environ 20 secondes.
- Placez l'extrémité ouverte (l'extrémité transparente) du tube très chaud sur les gouttes d'huile préparées à l'étape 1. L'huile devrait monter d'elle-même dans le tube capillaire.
- Remettez le tube en position verticale (l'extrémité ouverte vers le haut) et attendez quelques secondes qu'il refroidisse.
- Fixez le tube capillaire à la pince universelle du support droit, en positionnant l'extrémité ouverte (transparente) vers le haut.
- Éteignez le bec Bunsen.
- La goutte d'huile dans le tube capillaire doit avoir une épaisseur comprise entre 5 mm et 1 cm.
PARTIE B : Mesure de la relation volume-température
- Placez le bécher de 250 mL sur la plaque chauffante (n'allumez pas la plaque chauffante).
- Placez l'agitateur magnétique dans le bécher.
- Fixez le thermomètre sur la pince universelle du support gauche et placez-le verticalement dans un bécher de 250 mL. Ni le tube capillaire ni le thermomètre ne doivent toucher les parois du bécher.
- Sécurisez la règle derrière le tube capillaire pour mesurer la hauteur de la goutte d'huile.
- Prenez le bécher contenant la glace et ajoutez-y 250 ml d'eau froide du robinet.
- Puis verser l'eau froide et les glaçons dans le bécher contenant le tube capillaire. Le niveau de l'eau doit dépasser celui de la goutte d'huile.
- Observez la température de l'eau et la hauteur du fond de la goutte d'huile une fois que la température s'est stabilisée.
- Démarrez l'agitateur sur la plaque chauffante.
- Démarrez le chronomètre.
- Allume la plaque chauffante à basse intensité (20°C) et attends que la température monte d'une dizaine de degrés.
- Dans le tableau des résultats; observez la température de l'eau et la hauteur du bas de la gouttelette d'huile une fois que la température s'est stabilisée. Vous remarquerez le changement de hauteur de la gouttelette en fonction des variations de la température de l'eau.
- Répétez les étapes 18 et 19 tout en augmentant la température de la plaque de 10 degrés supplémentaires.
- Éteins la plaque chauffante et attends que tout refroidisse.
- Note : L'intérieur du tube capillaire a un rayon de 0,5 mm.
Résultats attendus
Les participants explorent la loi des gaz parfaits, qui stipule que le volume d'un gaz est directement proportionnel à sa température lorsque la pression et la quantité de gaz sont maintenues constantes. Cette expérience offre une compréhension visuelle et quantitative de la façon dont le volume des gaz change en réponse aux variations de température.
- Relation température-volume : Alors que la température du gaz (dans ce cas, l'air à l'intérieur du tube capillaire) augmente, le volume, indiqué par la hauteur du goutte d'huile, devrait augmenter. Inversement, lorsque la température diminue, le volume devrait diminuer. L'intérieur du tube capillaire a un rayon de 0,5 mm.
- La relation suit la loi des gaz parfaits, où pression-volume=nRT, où p= pression (Pa), V=Volume (/1000L), n = moles, R = 8,314 J/mol*K, et T la température est en kelvins.
-
Les résultats devraient être approximativement :
Température
(°C)
Température absolue
(K)
Hauteur
(mm)
Volume d'air
mL)
4,0
277,2
47,3
0.037
11,5
284,7
48,6
0.038
20,5
293,7
50,0
0.039
29,0
302,2
51,5
0.04
41,5
314,7
53,7
0.042
50,0
323,2
55,1
0.043
62,0
335,2
57,2
0.045
72,5
345,7
59,0
0.046
80,5
353,7
60,3
0.047
91,0
364,2
62,1
0.049
-
Le volume (V, en mL) d'un gaz (à nombre de moles et à pressions constants) suivra la relation V = π*r2h, où r=rayon du cylindre (0,05 cm) et hauteur observée (en cm). Le graphique sera une augmentation linéaire constante du volume en fonction de la température.
- Collecte et analyse de donnéesEn enregistrant systématiquement la température et la hauteur correspondante de la goutte d'huile à différentes températures, les participants créeront un ensemble de données qui, une fois représenté graphiquement, devrait montrer une relation linéaire entre la température (en Kelvin) et le volume, confirmant la loi des gaz parfaits.
- Compétences d'observationLes participants affineront leurs compétences d'observation, en notant comment de légers changements de température peuvent entraîner des changements mesurables dans le volume d'un gaz.
Importance et leçons apprises
- Comprendre le comportement des gaz: L'expérience approfondit la compréhension des lois fondamentales des gaz, en particulier la loi des gaz parfaits, montrant comment les gaz se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et se contractent lorsqu'ils sont refroidis dans un environnement contrôlé.
- Pertinence concrèteLes principes démontrés sont applicables dans divers scénarios du monde réel, tels que la compréhension du comportement de l'air dans les ballons météorologiques, les moteurs automobiles, et même en météorologie pour la prévision du temps.
- Méthodologie scientifique: Les participants apprennent l'importance de mesures précises et la nécessité de contrôler les variables pour isoler les effets de la température sur le volume des gaz. Cela renforce le rôle.
- Pensée critiqueEn analysant les résultats, les participants s'engageront dans une pensée critique, surtout si les résultats s'écartent de la relation linéaire attendue, les incitant à enquêter sur les sources possibles d'erreur ou sur le comportement non idéal des gaz.
- Compétences pratiquesLa manipulation d'équipements de laboratoire comme les becs Bunsen, les tubes capillaires et les gants thermiques développe des compétences pratiques et renforce l'importance des protocoles de sécurité en laboratoire.
Cette expérience offre une expérience d'apprentissage complète, fusionnant les connaissances théoriques avec les compétences pratiques, améliorant ainsi la compréhension des lois des gaz par les participants et leur compétence dans la conduite d'enquêtes scientifiques.
Résumé du devoir par tranche d'âge
Niveaux 3-5 (âges 8-10)
- Concentre-toiIntroduction de base aux concepts de température et de volume.
- Activités: Observation de démonstrations simples de la façon dont la température affecte le volume des liquides, instructions de sécurité de base.
De la 6e à la 8e année (11-13 ans)
- Concentre-toiCompréhension intermédiaire de la dilatation volumique et de la mesure de la température.
- Activités: Mesurer la température et la hauteur du liquide dans un tube capillaire, enregistrer les changements de volume avec la température, suivre des protocoles de sécurité détaillés.
Secondaire 3-5 (14-18 ans)
- Concentre-toi: Compréhension avancée de la dilatation volumique, techniques de mesure précises et principes de thermodynamique.
- Activités: Installation et utilisation de l'appareil pour mesurer le coefficient de dilatation thermique volumique, mesure précise de la température et de la hauteur du liquide, analyse de la relation entre la température et le volume, enregistrement et interprétation détaillés des résultats, respect des protocoles de sécurité avancés, renforcement des concepts de thermodynamique des liquides.
Essentiels de laboratoire
Instruments
- Verre à mesure (250 ml)
- Bec Bunsen
- Tube capillaire
- Goutte
- Plaque chauffante
- Support de laboratoire et pinces
- Agitateur magnétique
- Règle
- Thermomètres
- Minuteur
- Verre de montre
Produits
- Huile d'olive